C++设计模式——单例模式

单例模式

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方法1：C++11 线程不安全懒汉模式（不推荐）

懒汉式单例模式在第一次使用时才创建实例，但这种方式在多线程环境下可能会出现问题。

class Singleton {
private:
    static Singleton* instance; // 静态指针，用于存储单例对象
    Singleton() {} // 私有构造函数，防止外部直接构造

public:
    static Singleton* getInstance() {
        if (instance == nullptr) { // 检查是否已经创建了实例
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
};

// 初始化静态成员变量
Singleton* Singleton::instance = nullptr;

int main() {
    Singleton* s1 = Singleton::getInstance();
    Singleton* s2 = Singleton::getInstance();
    // s1 和 s2 指向同一个对象
    return 0;
}

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方法2：懒汉式单例模式（线程安全）

为了确保线程安全，可以在getInstance函数中使用互斥锁（std::mutex）

#include <mutex>

class Singleton {
private:
    static Singleton* instance; // 静态指针，用于存储单例对象
    static std::mutex mutex_; // 互斥锁
    Singleton() {} // 私有构造函数，防止外部直接构造

public:
    static Singleton* getInstance() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_); // 加锁
        if (instance == nullptr) { // 检查是否已经创建了实例
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
};

// 初始化静态成员变量
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::mutex Singleton::mutex_;

int main() {
    Singleton* s1 = Singleton::getInstance();
    Singleton* s2 = Singleton::getInstance();
    // s1 和 s2 指向同一个对象
    return 0;
}

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方法3：C++11 基于局部静态变量的单例模式

利用 C++11 的 static 特性实现线程安全的延迟初始化：

class Singleton {
public:
    // 删除拷贝构造和赋值运算符
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

    // 全局访问点
    static Singleton& getInstance() {
        static Singleton instance; // C++11保证线程安全的静态局部变量初始化
        return instance;
    }

private:
    Singleton() {}                  // 私有构造函数
    ~Singleton() {}                 // 私有析构函数
};

// 使用示例：
Singleton& obj = Singleton::getInstance();

优点：

• 线程安全（C++11标准保证）
• 延迟初始化（首次调用时创建）
• 代码简洁

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方法4：双重检查锁定（传统线程安全）

适用于 C++11 之前的版本：

#include <mutex>
#include <atomic>

class Singleton {
public:
    static Singleton* getInstance() {
        Singleton* tmp = instance.load(std::memory_order_acquire);
        if (tmp == nullptr) {                     // 第一次检查
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
            tmp = instance.load(std::memory_order_relaxed);
            if (tmp == nullptr) {                 // 第二次检查
                tmp = new Singleton();
                instance.store(tmp, std::memory_order_release);
            }
        }
        return tmp;
    }

    // 删除拷贝和赋值
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

private:
    Singleton() {}                                // 私有构造函数
    ~Singleton() {}                               // 私有析构函数
    static std::atomic<Singleton*> instance;      // 原子指针
    static std::mutex mutex;                      // 互斥锁
};

// 初始化静态成员
std::atomic<Singleton*> Singleton::instance{nullptr};
std::mutex Singleton::mutex;

// 使用示例：
Singleton* obj = Singleton::getInstance();

优点：

• 线程安全
• 延迟初始化
• 高性能（避免每次调用加锁）

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方法5：饿汉模式（程序启动时初始化）

线程安全但提前初始化：

class Singleton {
public:
    static Singleton& getInstance() {
        return instance; // 直接返回已初始化的实例
    }

    // 删除拷贝和赋值
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

private:
    Singleton() {}                                // 私有构造函数
    ~Singleton() {}                               // 私有析构函数
    static Singleton instance;                   // 程序启动时初始化
};

// 初始化静态成员（在.cpp文件中）
Singleton Singleton::instance;

// 使用示例：
Singleton& obj = Singleton::getInstance();

优点：

• 线程安全
• 实现简单

缺点：

• 程序启动时即初始化，可能浪费资源
• 无法处理依赖其他模块初始化的情况

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单例模式的关键点

1. 构造函数私有化：禁止外部创建实例
2. 删除拷贝和赋值：防止通过拷贝创建新对象
3. 全局访问点：静态方法提供唯一访问入口
4. 线程安全：根据场景选择实现方式

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注意事项

• 避免滥用单例模式（可能导致代码耦合度高）
• 单例对象的销毁需要谨慎处理（一般程序结束时自动释放）
• 多线程环境下优先使用 C++11 的 static 实现